鎂合金高溫強(qiáng)度的改善有利于拓寬其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，提高鎂合金的高溫力學(xué)性能常用的方法是在合金中引入高溫力學(xué)性能優(yōu)異的Laves相，具有六邊形C14結(jié)構(gòu)的Mg2Ca、Mg2Yb相以及C36結(jié)構(gòu)的(Mg, Al)2Ca相都是較好的選擇。然而Laves相具有明顯的室溫脆性，嚴(yán)重影響著鎂合金的塑性。
最近，日本大阪大學(xué)的K. Hagihara教授課題組基于定向凝固工藝制備出具有層狀微結(jié)構(gòu)的Mg/Mg2Yb和Mg/Mg2Ca共晶合金，并通過對層狀微結(jié)構(gòu)施加平行方向的應(yīng)力，誘導(dǎo)出扭折帶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，從而使得鎂合金的高溫屈服應(yīng)力和延展性得以改善。研究表明，由于層狀界面的結(jié)晶學(xué)特征，Mg/Mg2Yb共晶合金中扭折帶結(jié)構(gòu)的形成主要受軟韌相Mg的控制。Mg/Mg2Yb中部分?jǐn)_動層狀組織的存在對誘導(dǎo)合金中均勻小扭折帶的形成起到了有效作用，這使得在塑性變形過程中不會形成微裂紋，導(dǎo)致Mg/Mg2Yb (300 C) 相對于Mg/Mg2Ca (400 C)可能變形溫度降低。同時，闡明了組成相中的有效滑移面與層狀界面之間的幾何關(guān)系，以及為扭折帶結(jié)構(gòu)的形核提供位置是控制其形成的重要因素。該工作為開發(fā)使用扭折帶的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料提供了基礎(chǔ)理論研究。
采用SEM-EBSD技術(shù)分析了在Mg-Yb合金橫截面上獲得的典型晶體取向結(jié)果，如圖1(a, b)所示。通過分析，在片層中確定了Mg和Mg2Yb之間的一些晶體取向關(guān)系，如圖1(c, d)所示。情形A：層狀界面：(11-21)Mg2Yb (1-100)Mg；生長方向：[-1-126] Mg2Yb [-1-120]Mg。情形B：層狀界面：(10-11)Mg2Yb (11-22)Mg；生長方向：[0001] Mg2Yb [-1-123]Mg。
圖1 (a, b) 使用SEM-EBSD分析DS Mg/Mg2Yb合金橫截面中的典型晶體取向圖；(c, d) 對應(yīng)的極坐標(biāo)分析圖，物相借助EDS進(jìn)行區(qū)分
進(jìn)一步采用SEM-EBSD分析變形的Mg/Mg2Yb試樣，以檢查扭折帶的結(jié)晶特征。圖2(a)顯示了變形區(qū)域的典型晶體取向圖。如黑色箭頭所示，通過薄層的彎曲可以識別許多扭折帶的引入。圖2(b)顯示了未變形區(qū)域晶體旋轉(zhuǎn)角度相對于變形帶中的基體的分布。旋轉(zhuǎn)角度的定義如圖2(b)所示，晶體旋轉(zhuǎn)角度具有約5 至約70 的廣泛分布。這一特征不同于在變形孿晶中，在變形孿晶中，晶體旋轉(zhuǎn)角度是固定的，因為它們相對于基體具有明確的晶體取向關(guān)系。圖2(b)中的結(jié)果表明，變形帶不是變形孿晶，而是變形扭折帶。圖2(c, d)顯示了典型變形扭折帶的晶體取向圖，其中的顆粒分別對應(yīng)于圖1(a, b)中所示的聚集顆粒，圖中的薄層分別滿足“情形A”和“情形B”的取向關(guān)系。當(dāng)平行于層狀界面施加應(yīng)力時，無論Mg和Mg2Yb之間的晶體取向關(guān)系是否不同，都會形成扭折帶。
圖2 (a) 采用SEM-EBSD在400 C下以0 方向變形至5%塑性應(yīng)變的Mg/Mg2Yb試樣中測量的典型晶體取向圖；(b) 變形帶中未變形區(qū)域晶體旋轉(zhuǎn)角度相對于基體的分布； (c, d) 典型變形帶的高倍率晶體取向圖。圖中的聚集顆粒對應(yīng)于圖1的情形A和情形B
圖3顯示了在不同溫度下壓縮的Mg/Mg2Yb合金的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在0 方向，一些試樣可能在300 C下變形，但在屈服后立即斷裂，伴隨著0.3 %的塑性應(yīng)變。然而，在400 C時可能發(fā)生顯著的塑性變形。相比之下，在45 方向300 C時可能發(fā)生大于5%的變形。應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀因加載方向而異。在45 方向也觀察到屈服下降，但在45 方向流動應(yīng)力的下降較小。圖3還展示了在400 C下變形的Mg/Mg2Ca合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以供比較。在Mg/Mg2Ca合金中，0 取向的屈服強(qiáng)度下降情況看起來比Mg/Mg2Yb更為顯著。
圖3 在不同溫度下以0 和45 方向變形的Mg/Mg2Yb合金的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線；以及在400 C下變形的Mg/Mg2Ca合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
綜上所述，本研究利用在層狀結(jié)構(gòu)鎂合金的平行方向施加應(yīng)力來誘導(dǎo)扭折帶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，從而提高鎂合金的高溫屈服強(qiáng)度和塑性變形能力。軟韌相與脆性相交錯的層狀結(jié)構(gòu)有效避免了金屬間化合物聚集而引發(fā)的微小裂紋。同時較硬的脆性相很好地阻止了剪切應(yīng)變在片層界面上的傳播，限制平行于片層界面的變形，并導(dǎo)致扭折帶的形成。這為利用微結(jié)構(gòu)控制高溫鎂合金中扭折帶結(jié)構(gòu)的形成，和改善含Laves相的高溫鎂合金的力學(xué)性能奠定了基礎(chǔ)。
